Hoofdstuk 3

Report
Ultrasound = echografie
Met dank aan Jeroen De Geeter voor technische bijstand
Basisprincipe
Transdu
cer
Ultratonen leveren informatie over
weefsels omdat zij worden
weerkaatst op de grens tussen
Ultrasound
akoestisch verschillende
media .
Zo ontstaan echo’s die worden
opgevangen en waaruit een beeld
wordt samengesteld
Weefsels
Ultrasound
Het menselijk oor neemt enkel geluiden waar met een frequentie van 20 Hz tot
20.000 Hz: overtuig jezelf op http://www.phys.unsw.edu.au/jw/hearing.html.
Akoestische signalen met een hogere frequentie (=ultrasound) gedragen zich
evenwel fysisch net zoals hoorbare geluidsgolven. Voor medische toepassingen
wordt ultrasound gebruikt met frequentie in het gebied van MHz.
Geluidsgolven
•
•
•
•
•
Golven ontstaan doordat de tussenstof (waarin de golf zich beweegt) wordt
samengedrukt (door de geluidsbron), zodat de moleculen plaatselijk korter bij
elkaar komen te zitten: de tussenstof wordt daar dichter. Deze zone van
verdichting gaat zich in de tussenstof verplaatsen met een bepaalde snelheid.
Die snelheid hangt af van de akoestische eigenschappen van de tussenstof, om
precies te zijn van de akoestische impedantie.
Dit fenomeen is te vergelijken met een metalen veer waardoorheen zich enkele
samengedrukte ringen verplaatsen:
http://www.youtube.com/watch?v=ubRlaCCQfDk&feature=related
De geluidsbron (bijvoorbeeld een trillende stemvork) veroorzaakt echter niet
alleen een verdichting van de tussenstof. Meteen daarna maakt de bron immers
een tegengestelde beweging, zodat nu de tussenstof juist ijler gaat worden.
De twee bewegingen van de geluidsbron wisselen elkaar cyclisch af. Zo
ontstaan opeenvolgende verdichtingen en verijlingen van de tussenstof, die zich
doorheen de tussenstof propageren aan dezelfde snelheid.
Op eenzelfde lokalisatie in de tussenstof wisselen de verdichtingen en
verijlingen elkaar af met dezelfde frequentie als waarmee de geluidsbron trilt.
Geluidsgolven
dichtheid
Dit zijn de golven
veroorzaakt door een
stemvork in de lucht.
De dichtheid van de
luchtmoleculen wordt
weergegeven door de
streepjes.
Op een bepaalde
plaats kunnen we de
dichtheid uitzetten in
functie van de tijd. Die
curve ziet er zo uit .
Op een bepaald
tijdstip kunnen we de
dichtheid uitzetten in
functie van de afstand
tot de geluidsbron. Dit
is wat je bekomt .
tijd
dichtheid
afstand
Geluidsgolven
dichtheid
T
tijd
dichtheid
λ
Snelheid = f X λ
afstand
We hernemen de twee curven van
vorig plaatje.
Op de bovenste curve definiëren
we de periode T als de tijd tussen
twee opeenvolgende toppen.
Frequentie f is het omgekeerde
van T, dus 1/T.
Op de onderste curve definiëren
we de golflengte λ als de afstand
tussen twee opeenvolgende
toppen.
De voortplantingssnelheid van het
geluid is het product van
frequentie met golflengte. Zoals
reeds gezegd wordt ze bepaald
door de tussenstof.
Interactie met materie
•
•
•
•
•
Net zoals lichtgolven, zijn ook geluidsgolven onderhevig aan breking (refractie)
en terugkaatsing (reflectie).
Terugkaatsing vindt plaats op het scheidingsvlak (‘interface’) tussen
tussenstoffen met verschillende akoestische impedantie. Dit fenomeen is des te
belangrijker naarmate de impedanties meer verschillen.
Het principe van ultrasound beeldvorming berust op terugkaatsing. Breking
verstoort de beeldvorming.
Ultrasound verliest energie naarmate hij dieper in tussenstoffen doordringt
(voornamelijk door omzetting in warmte): dit fenomeen heet verzwakking of
attenuatie. Attenuatie is meer uitgesproken naarmate de ultrasound hogere
frequentie heeft. Attenuatie hangt ook af van de tussenstof (is bvb. sterker in
lucht of in bot dan in water). Ook attenuatie is ongewenst voor de beeldvorming.
In weefsels zijn kleine reflectoren aanwezig, die gelijktijdig een ultrasoundpuls
kunnen reflecteren. Dit geeft aanleiding tot meerdere gelijktijdige echo’s. Hun
interactie veroorzaakt de typische spikkels (‘speckle’) in het ultrasoundbeeld. Ze
verminderen de resolutie van het beeld.
Interactie met materie
Tussenstof
Akoestische
impedantie (106 rayl)
Snelheid (m/s)
Lucht
0.0004
331
Vet
1.38
1450
Spier
1.70
1540
Bot
7.80
4100
Interface
Amplitudeverlies (dB)
Vet / spier
20.0
Spier / lucht
0.01
Bot / weke weefsels
3.80
Voor enkele weefsels
vind je hier hun
akoestische
impedantie en de
snelheid van
(ultra)geluid erin.
Voor enkele
interfaces vind je hier
hoe efficiënt ze het
(ultra)geluid
weerkaatsen. Hoe
kleiner het verlies,
hoe beter de interface
het geluid weerkaatst.
Transducer
Ultrasound wordt geproduceerd in een transducer. Die bevat één of meerdere
piezoelektrische kristallen. Zulk een kristal zet elektrische spanning om in
mechanische trilling en omgekeerd. De transducer registreert ook de
terugkerende echo’s. Na het uitzenden van een korte puls ultrasound ‘luistert’ de
transducer naar de terugkerende echo’s. Dit wordt cyclisch herhaald.
Echografie
De transducer wordt op het
lichaamsoppervlak geplaatst
boven het te onderzoeken gebied.
Op de huid wordt gel aangebracht
om ervoor te zorgen dat zich geen
te grote verschillen in akoestische
impedantie voordoen tussen de
transducer en het lichaam
(waarom?).
Tijd ≈ afstand
•
•
•
Hoe kunnen nu beelden worden gemaakt aan de hand van echo’s? Als de
voortplantingssnelheid van de ultrageluidsgolven vastligt, komt de tijd tussen het
uitzenden van een ultrageluid en het opvangen van de echo, overeen met een
bepaalde afgelegde afstand.
Als dus de snelheid van het geluid vastligt, dan is de diepte van de
weerkaatsende interface evenredig met die tijd. M.a.w. hoe later de echo, hoe
dieper de weerkaatsende interface.
Zoals we reeds hebben gezien hangt de snelheid in werkelijkheid af van de
tussenstof. Om beelden te maken wordt verondersteld dat de snelheid overal
deze is in weke weefsels (1540 m/s). Andere tussenstoffen zullen dus
aanleiding geven tot onjuist gelokaliseerde signalen.
130 ms
39 ms
13 ms
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
cm
A-mode
ORGAN
TO SCAN
DISPLAY
VERTEBRA
PULSE
A-SCAN DISPLAY
STRENGTH OF SIGNAL
ECHO
TIME
B-SCAN DISPLAY
In de meest eenvoudige
(historische) A(mplitude)modus wordt de sterkte van de
opgevangen echo op één
scanlijn uitgezet in functie van
de tijd (≈ diepte).
De pieken komen dus overeen
met interfaces.
Voor B- of M-mode wordt de
echosterkte weergegeven door
de helderheid van de spots.
A-mode
De echosterkte wordt
gecompenseerd voor
attenuatie (dus voor de
diepte, of tijd). Zoniet
zouden de diepere
interfaces zwakker
overkomen (waarom?).
(TGC staat voor time gain
correction)
Resolutie
Pulslengte
Afstand interfaces > ½ pulslengte
Afstand interfaces < ½ pulslengte
Resulterend echosignaal
Op slide 9 werd reeds vermeld dat
korte pulsen ultrasound gebruikt
worden. Het belang van een korte
puls wordt hier uitgelegd.
Op de eerste interface (witte lijn)
wordt de puls gedeeltelijk weerkaatst
(echo1); een ander deel van de
energie gaat door naar de tweede
interface en wordt daar weerkaatst
(echo2). Als de twee interfaces
minder dan een halve pulslengte van
elkaar zijn gescheiden (rechts), dan
zit de kop van echo2 in de staart van
echo1 en worden de twee interfaces
dus niet afzonderlijk gezien.
Hogere ultrasoundfrequenties geven
een betere ruimtelijke resolutie, want
voor een zelfde aantal trillingen is de
puls daar korter. Daar tegenover
staat evenwel een sterkere
attenuatie (zie slide 7).
B-mode
In de B(rightness) modus
wordt de sterkte van de echo
aangegeven door de
helderheid van het beeld (zie
ook de figuur op slide 12).
Nu worden echter meerdere
scanlijnen gecombineerd tot
één beeld.
Deze scanlijnen worden
achtereenvolgens bekomen
door de ultrasoundbundel in
verschillende richtingen te
sturen .
B-mode
Een B-modus beeld van een
galblaas met daarin
galstenen. Onder de
galstenen zie je een relatief
zwarte strook. Hoe zou die
ontstaan?
M-mode
diepte
W
W
tijd
De M(otion) modus wordt
voornamelijk gebruikt in
echocardiografie. We ontmoetten
hem al in de inleiding.
Nu worden achtereenvolgende
beelden van een zelfde scanlijn
achter mekaar geplaatst in het beeld,
dat dus de echosterkte weergeeft in
functie van de diepte (y-as) en de tijd
(x-as) .
Je herkent een doorsnede door een
een hartkamer (de randen van de
spierwand kan je zien als twee
ruwweg concentrische cirkels). Je ziet
hoe in de loop van een hartcyclus de
wanden (W) van de hartkamer eerst
naar mekaar toe bewegen en zich
dan weer van elkaar verwijderen.
Doppler effect
De waargenomen
geluidsfrequentie verandert als
de geluidsbron beweegt ten
opzichte van de waarnemer, of
als de waarnemer beweegt ten
opzichte van de geluidsbron.
Het filmpje hiernaast toont dat
voor een voorbijsnellende
racewagen.
Doppler effect
transducer
bloedvat
θ
v
Δf = 2 . f. v. cosθ
Δf = dopplerverschuiving
f = frequentie van de uitgezonden ultrasound
v = snelheid van het bloed
θ = hoek tussen ultrasound en bloedvat
v.Cosθ = component van snelheid in richting
van transducer
De waargenomen geluidsfrequentie
verandert als de geluidsbron beweegt ten
opzichte van de waarnemer, of als de
waarnemer beweegt ten opzichte van de
geluidsbron. Het filmpje hiernaast toont
dat voor een voorbijsnellende
racewagen.
Dit fenomeen kan worden gebruikt voor
het meten van bloedsnelheden. Rode
bloedlichaampjes die naar de transducer
toe bewegen verhogen de waargenomen
frequentie; bloedlichaampjes die van de
transducer weg bewegen verlagen de
waargenomen frequentie.
De dopplerverschuiving Δf, dit is de
verandering van de frequentie, wordt
weergegeven in volgende formule:
Δf = 2 . f. v. cosθ
Continue doppler
•
transmitter
bloedvat
receiver
•
•
Bij continue doppler wordt continu
ultrasound uitgezonden door een
transmitter en wordt de echo
continu geregistreerd door een
receiver. De transducer bestaat
hier dus uit twee afzonderlijke
elementen. Vergelijking van het
uitgezonden met het opgevangen
signaal levert de
dopplerverschuiving, en dus de
snelheid van het bloed.
Nadeel van de techniek is dat de
bekomen dopplerverschuiving het
hele gebied van gevoeligheid
betreft (dit is het gebied waar
transmitter en receiver elkaar
overlappen). De diepte kan dus
niet worden gekozen.
Voordeel van de techniek is
evenwel dat ook hoge
bloedsnelheden kunnen worden
gemeten.
Gepulseerde doppler
•
•
dopplersignaal
•
Continue doppler
Gepulseerde doppler
Hier wordt het dopplersignaal
bekomen als een continu geheel
Hier wordt het dopplersignaal
bekomen als afzonderlijke punten
•
Bij gepulseerde doppler worden
meerdere korte pulsen ultrasound
uitgezonden door een transmitter
en wordt de echo geregistreerd
door dezelfde transmitter.
Vergelijking van de uitgezonden
met de opgevangen signalen levert
weer de dopplerverschuiving, en
dus de snelheid van het bloed.
Voordeel van de techniek is dat de
dopplerverschuiving kan worden
gemeten op een vooraf gekozen
diepte. Die komt immers overeen
met echo’s op een bepaald tijdstip
na het uitzenden van de puls.
Nadeel van de techniek is dat geen
hoge bloedsnelheden kunnen
worden gemeten.
Deze techniek kan worden
gecombineerd met B-mode; dit
wordt duplex genoemd.
Continue versus gepulseerde doppler
Bloedstroom door een lekkende aortaklep in continue (links) en gepulseerde doppler
(rechts). De snelheden in de bloedstroom worden zoals gewoonlijk weergegeven als een
grafiek in functie van de tijd. Positieve snelheden zijn weg van de transducer, negatieve
ernaartoe. De hoge snelheden in het lek leiden ertoe dat de snelheidsmetingen in
gepulseerde doppler niet betrouwbaar zijn.
Kleurendoppler
•
d
Puls 1 bereikt de bewegende
reflector. We nemen het punt
waar dat gebeurt als referentie.
Puls 2 startte even na puls 1,
zodat hij de bewegende
reflector pas bereikt als die al
verder (hier: dieper) is. Die heeft
ondertussen een afstand d
afgelegd.
•
•
Tegen de tijd dat de echo van
puls 2 opnieuw het
referentiepunt heeft bereikt, is
de echo van puls 1 al weer 2d
(hier naar de oppervlakte)
opgeschoven. Vergelijking van
de twee echo’s toont de
faseverschuiving en daaruit kan
de dopplerverschuiving worden
afgeleid.
•
Kleurendoppler kijkt ook naar
bewegende structuren, net zoals
gepulseerde doppler.
Hier worden per scanlijn meerdere
kort op elkaar volgende puls-echo
sequenties gebruikt. Bewegende
structuren in het beeld veroorzaken
een faseverschuiving daartussen. Het
principe wordt hier geïllustreerd voor 2
puls-echo sequenties.
Hieruit worden (via autocorrelatie)
gemiddelde en variantie van de
snelheid berekend. Die worden op het
beeld weergegeven met kleuren.
Deze metingen zijn minder
nauwkeurig dan met gepulseerde
doppler. Het voordeel van
kleurendoppler is evenwel dat meteen
informatie over meerdere dieptes
wordt bekomen.
Kleurendoppler
Deze techniek wordt vaak gebruikt in de
cardiologie. In het voorbeeld zie je een
lekkende klep. Flow naar de
ultrasoundtransducer toe is in het rood,
van de transducer weg is in het blauw.
Het groen toont de variantie op de
snelheden.
Power doppler
•
v
P
•
A
A
tijd
v
f0
frequentie
P
B
•
B
tijd
f0
frequentie
Bloedvat A wordt meer longitudinaal getroffen, bloedvat B meer dwars. Het profiel van
snelheid in functie van tijd is daardoor sterk verschillend – afgevlakt in B. Toch is de
oppervlakte onder de powergrafiek dezelfde voor A en B. Zo kan power doppler toch ook in B
•
de bloedstroming in beeld brengen.
(v = snelheid, P = power)
Power doppler is een optie bij
kleurendoppler.
Het dopplersignaal wordt hier
anders verwerkt: ipv de fase van
het signaal wordt hier de amplitude
gemeten. De kleuren geven enkel
aan of bloedstroming aanwezig is
of niet, niet wat de snelheid is.
Voordeel van deze techniek is dat
ook traag bewegend bloed, of
bloedvaten die evenwijdig met de
transducer lopen, kunnen worden
gevisualiseerd.
Ook deze techniek kan worden
gecombineerd met B-mode.
Power doppler
Power doppler van de
nierdoorbloeding. De helderheid van
de kleur geeft de amplitude weer van
het signaal. De kleur geeft de richting
aan: rood naar de transducer toe,
blauw van de transducer weg.
Veiligheid
•
•
In de voor diagnostiek gebruikte intensiteit van ultrasound zijn geen
nevenwerkingen bekend. Ultrasound wordt dan ook als een uiterst velige
techniek beschouwd. Het is de techniek bij uitstek voor foetale screening.
Hogere intensiteiten en langduriger blootstelling kunnen wel aanleiding geven tot
•
•
thermische effecten: opwarming van weefsels
mechanische effecten: onder meer holtevorming. De niersteenverbrijzelaar maakt
gebruik van ultrasound!
Voor wie meer wil
http://www.sprawls.org/ppmi2/USPRO/: de basics
http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=430090:
een zeer begrijpelijke uiteenzetting over het dopplereffect
http://folk.ntnu.no/stoylen/strainrate/Ultrasound/: een meer
gevorderde en rijk geïllustreerde uiteenzetting over diverse
aspecten van ultrasound
http://www.medcyclopaedia.com/library/topics/volume_i.aspx: een
encyclopedie over alle aspecten van beeldvorming; in deel 1 vind
je talrijke trefwoorden in verband met ultrasound.

similar documents